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引力是自然界4种基本力之一。由于引力相互作用极其微弱且不可屏蔽，因此，万有引力常数G是最难测定的物理常数之一。多年来，各国科学家—直在追逐该常数的精确测量。
近日，权威学术杂志《自然》刊发了中国科学院院士罗俊团队最新测G结果——该团队历经艰辛30年，测出了截至目前常数G的最精确值。
牛顿万有引力定律指出，使苹果落地的力和维系行星沿椭圆轨道运动的力本质一致。这种力在我们生活中无处不在，小到看不见的基本粒子，大到宇宙天体——这就是“万有引力”。而要计算物体间的万有引力，需知道引力常数G的大小。但令人遗憾的是，截至目前，我们并不知道G的精确值是多少。对万有引力常数G的精确测量不仅具有计量学上的意义，对于检验牛顿万有引力定律，以及深入研究引力相互作用规律都具有重要意义。
万有引力常数G是人类认识的第一个基本常数，但是，G值的测量精度是目前所有基本常数中最差的。以往国际上不同实验小组的G值测量的精度在10-5，相互之间的吻合程度仅达到10-4的水平，由于精度问题，很多与之相关的基础科学难题至今无法解决。罗俊团队此次采用两种不同方法测G，精度均达到国际最好水平，吻合程度接近10-5的水平，这将为提升我国在基础物理学领域的话语权、为物理学界确定高精度引力常数G的推荐值，作出实质性贡献。
罗俊团队从上世纪80年代就开始采用扭秤技术精确测量万有引力常数G，历经10多年努力，于1999年得到了第一个G值，被随后历届国际科学技术数据委员会（CODATA）录用。科学探索的脚步永不止步，该团队随后对实验方案进行了一系列优化，并更深入研究了各项误差，又历时10年，于2009年发表了新的结果，相对精度达到26ppm（1ppm=百万分之一）。这一结果是当时采用扭秤周期法得到的最高精度G值，被随后历届CODATA收录命名为HUST-09。
如今，又经过10年沉淀，罗俊团队再次“一鸣惊人”——采用两种不同方法测G，给出了目前国际上最高精度的G值，相对不确定度优于12ppm，实现了对国际顶尖水平的赶超。罗俊团队所在的引力中心在短短30多年里，从无到有、从有到强，逐步走向世界前沿，被国际同行称为“世界的引力中心”。
在学界，G值的测量原理早已十分明确，但测量过程却异常繁琐、复杂。在一种测量方法中，往往包含近百项误差需要评估。本次实验中，为增加测量结果的可靠性，实验团队同时采用了两种独立的方法，分别是扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法。这两种实验方法虽已不再新奇，但与两种方法相关的装置设计，以及诸多技术细节均需团队独自摸索、自主研制完成。在此过程中，研发出一批高精端的仪器设备，且其中很多仪器已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。
以团队发展的精密扭秤技术为例，已经成功应用在卫星微推进器的微推力标定、空间惯性传感器的地面标定等方面，这些仪器将为精密重力测量国家重大科技基础设施，以及空间引力波探测——“天琴计划”的顺利实施奠定良好基础。
“从上世纪80年代开展万有引力常数G的精确测量实验研究至今，罗俊院士已将其看作毕生事业，几十年如一日在山洞实验室工作。他不仅给我们提供了方向的指引，同时以身作则，对实验过程中的每个重要阶段都带领团队成员一起分析、讨论并指导大家做实验。一批兼具理论与实践能力的优秀人才在此过程中得以成长。”论文的通讯作者之一、团队核心成员、华中科技大学引力中心教授杨山清表示，测G是一项艰苦而繁琐的工作，一个结果的得出往往需要几十年的摸索，每当大家想放弃时，罗俊院士总是及时给予鼓励。正因如此，团队成员心里一直憋着一股拼劲儿，誓将这个实验攻下。
“G值的测量并非一劳永逸，它需要有科学家持续为它‘保鲜’，但对它的测量极其艰辛。罗俊团队通过30年的努力，贡献了目前世界上最为精确的G值，中国应该为拥有这样一个能够持之以恒并永远保有热情的团队而骄傲。”美国国家标准与技术研究所联合JILA实验室前主席、美国总统科技奖获得者詹姆斯教授对此次罗俊团队取得的成绩如此评价。
来源：百家号 是就：2018-09-01
2018年8月30日，国际顶级学术期刊《Nature》以长文形式在线刊发了我院引力中心罗俊院士团队最新研究进展：《Measurements of the gravitational constant using two independent methods》。该项研究成果为目前国际最高精度的万有引力常数测量值。我院博士后黎卿、中山大学天琴中心副研究员薛超及我院博士生刘建平、邬俊飞为共同第一作者，杨山清教授、邵成刚教授和罗俊院士为共同通讯作者。此篇论文是我校基础物理学科和我国测量万有引力常数研究领域在Nature上发表的首篇论文。
万有引力常数（G）是一个与理论物理、天体物理、地球物理、计量学等均密切相关的基本物理学常数。它的精确测量对于检验牛顿万有引力定律和研究引力相互作用性质等基本问题具有重要意义。在统一四种基本相互作用（强、弱、电磁、引力）的过程中，物理学家们提出许多新的引力理论。如一些理论预言：G值不是常量，可能随空间或时间而变化；牛顿反平方定律在近距离下破缺等。G值精度的提高有助于鉴别理论模型的正确与否和推进引力理论的发展，让人们更深刻地认识引力的本质。众所周知，引力非常微弱且不可屏蔽，因而对其的精确测量充满了挑战性。所以，万有引力常数是人类认识最早但测量精度却最差的一个基本物理学常数。
自上世纪八十年代以来，罗俊团队就致力于采用扭秤技术精确测量万有引力常数G。该团队利用华中科技大学人防山洞实验室天然恒温、地面振动小、外部干扰少等优越的条件，先后解决了限制精密扭秤精度的多项关键技术，历经十多年的努力于1999年得到了第一个G值，相对不确定度105 ppm。该结果被随后历届的国际科学技术数据委员会（CODATA）录用，并被命名为HUST-99。又历时十年，该团队对实验方案进行了一系列优化以及对各项误差进行更深入的研究，于2009年发表了新的结果，相对精度达到26ppm。该结果是当时采用扭秤周期法得到的最高精度的G值，也被随后的历届CODATA所收录并命名为HUST-09。
2008年起，鉴于国际上各个小组G值测量结果相互之间不吻合，为了弄清G值的测量是否与方法相关和探寻不同方法中可能存在的潜在系统误差，罗俊院士团队开始同时采用两种完全不同的实验方法——扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法进行G值的精确测量。这两种实验方法虽已不再新奇，但与两种方法相关的装置设计及诸多技术细节均需团队成员自己摸索、自主研制完成。罗俊院士团队攻克了一系列的技术困难，如扭丝滞弹性效应、高精度双转台反馈控制、背景引力梯度的精确补偿、地面振动的隔离等。如今，又经过一个十年的沉淀，罗俊院士团队再次一鸣惊人，给出了目前国际上最高精度的G值，相对不确定度优于12ppm，实现了对国际顶尖水平的赶超。以往国际上不同实验小组的G值测量的精度在10-5，相互之间的吻合程度仅达到10-4的水平，此次罗俊院士团队采用两种不同方法测G，精度达到国际最好水平，吻合程度接近10-5。这将为提升我国在基础物理学领域的话语权、为物理学界确定高精度的引力常数G的推荐值做出实质性的贡献。
为提高G值的测量精度，该团队在此过程中研发了一批高精端的仪器设备，且其中很多仪器已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。如团队发展的精密扭秤技术已经成功应用在卫星微推进器的微推力标定、空间惯性传感器的地面标定等方面。这些仪器将为精密重力测量国家重大科技基础设施以及空间引力波探测——“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础。
测G的原理比较简单，但测量过程异常复杂和困难，是目前精密测量领域最具挑战性的实验之一。从上世纪80年代罗俊老师开始进行万有引力常数的精确测量实验研究至今，他已将其看作是毕生的事业，几十年如一日的在山洞实验室工作。罗俊院士以身作则，对实验过程中的每个重要阶段都主动带领团队成员一起分析、讨论并悉心指导。一批兼具理论与实践能力的优秀人才在此过程中得以成长。论文共同作者胡忠坤、周泽兵、涂良成、邵成刚、杨山清等人已分别成长为相关领域的带头人，他们将是推动我校精密测量物理学科快速发展的重要力量。
来源：华中科技大学 时间：2018-08-30
